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创新半导体封装技术扮要角 实现更先进医疗电子设备

EDNTaiwan?? 2016年01月11日 ?? 收藏0
因应现今社会的健康意识抬头,因此研发了各种新电子技术,希望改善医疗、健康与健身。

医疗电子涵盖众多应用,从医疗院所最顶尖的造影设备,到消费者可随时上门购买的穿戴式装置,都协助医疗人员更有效地照顾患者,而一般民众也承担更多监督自身健康的责任。

医疗系统IC设计与生产时,运作功能与稳定性非常重要,例如使用X光放射制作的高质量计算机断层扫描不能失真,才得以妥善诊断与治疗;穿戴式装置必须承受运动时的剧烈动作与汗水。对半导体公司而言,供应医疗与健身应用所需的IC则必须满足这些需求,如何开发既能保护芯片又能连接至系统的先进封装技术,即成为一大挑战。

人们讨论电子技术时,常认为顶尖的电路设计重点在于促成新应用,有时会忽略IC封装,但无论是进阶封装技术,或是电路板贴装及配置等相关技术,都攸关创新工业设计成败。创新电子线路与应用仰赖同样创新的芯片封装,医疗电子技术若要成功突破,客户需要在更小封装内容纳更多电路,并兼顾效能与稳定。封装必须包覆与保护内部线路,同时保留对外连接或环境感测的接触点。

IC封装若符合这些需求,并结合其他芯片设计与制造技术,即可打造促进健康的先进医疗诊断与监控设备。现今医疗与健身电子设备持续进步,半导体封装也不断在演进,以符合新应用的需求。

医疗系统需求

依应用本质不同,医疗与健身设备需求各异,例如X光、计算机断层、超音波等先进显影系统均需要高分辨率以提供医师最清晰的体内组织影像。穿戴式手表及锁定重视健身消费者的其他应用,则以压低成本为一大设计目标;设计消费性穿戴式装置与携带式医疗设备时,也希望尽量缩小尺寸与减轻重量,进而降低用电量及延长电池续航力。

无论在医疗院所或消费型领域,携带式均成为医疗电子设备一大趋势,无论是智能手持装置,或是黏贴抛弃式心电图/脉搏血氧贴片装置,均可透过无线传输至网络,免除外接系统的线路,这些无线装置可回报至不在同一空间的中央计算机,也能搜集其他来源的信息辅助诊断。设备的移动能力增加后,看护人员能够更早掌握患者情况,例如救护车上或候诊间里,病患也能更早出院,再运用穿戴式追踪装置持续照护,并以无线途径向医师回报情况。

效能、轻巧、可靠,这些都是IC封装与芯片本身需符合的条件,在医疗与健身设备半导体市场有丰富经验的TI投入了庞大资源,开发出搭配先进芯片电路的创新封装,透过运用TI装置的成功设计案例,可说明创新封装提供哪些解决方案,有助于打造各种新式医疗及健身设备。

藉芯片堆栈及缩小尺寸 创造高分辨率影像

新一代数位影像技术正改变各种医疗领域,协助医师比以往更清楚地观察体内组织。捕捉数字影像的传感器使用大量画素,提供最佳分辨率,而系统必须谨慎处理画素数据,确保计算机生成影像的过程中没有遗失任何数据。负责传输个别画素的通道,必须尽可能地快速及接近传感器来源将模拟讯号转换为数字数据,以减少讯号失真问题。

图1 四个模拟数字转换器对谍在单一封装之中。
图1 四个模拟数字转换器对谍在单一封装之中。

对芯片封装与布线而言,最大挑战在于如何在有限空间中,尽量增加模拟数字转换器(ADC)封装数量,却又不影响效能,TI为计算机断层传感器开发的创新解决方案中,在单一封装内堆栈四个芯片。单一高速ADC芯片均无法处理如此大量的通道需求,而且在有限的设备空间里,通道排列太过紧密,无法让多个ADC并排。

但如图1所示,四个ADC相互堆栈后,在32条通道的空间内纳入128条通道,或是在实际设计中,使用两个四堆栈装置,则是在64条通道的空间内纳入256条通道。以立体空间增加线路密度在半导体业界日益普遍,但这项挑战必须谨慎处理,讯号堆栈愈密集,串音及其他干扰的风险愈大,甚至可能削弱或破坏设计效能。光是在单层高效能装置里,运作及线路散热就已经很棘手,更遑论是四层堆栈,不过在创新技术、封装设计、制造及测试下,在计算机断层显影传感器装置中,多层装置已能满足需求。

图2 软膜覆晶(COF)接合技术与混合式封装。
图2 软膜覆晶(COF)接合技术与混合式封装。

数字X光显影应用同样需要先进封装创新,对医疗人员而言,数字X光传感器相当重要,要可以立即得知结果、并能以电子方式传输与储存,亦可透过计算机显影技术提升,例如TI有一位客户的设计就受到封装限制,因为数字传感器必须安装在传统底片盘的空间。

数千条画素信道使用弹性总线线路,从传感器传输出去,若希望尽量拉近ADC芯片与源头的距离,唯有使用在多芯片混合式封装的电路上堆栈ADC芯片。且由于每件封装都有256条通道,连接器必须极为稳固。此外,因为设备堆栈在电路上,对连接点产生与众不同的机器稳定性要求,图2运用软膜覆晶接合技术,让封装成功通过测试,因应弹性基材的压力。

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